ENVI高光谱分析1

1、ENVI高光谱分析技术邓书斌邓书斌主要内容 1、高光谱简介、高光谱简介 2、高光谱数据预处理、高光谱数据预处理 3、物质制图与识别、探测、物质制图与识别、探测 4、植被分析、植被分析1、高光谱遥感简介 光学遥感技术的发展：光学遥感技术的发展： 全色（黑白）彩色摄影多光谱扫描成像高光谱遥感全色（黑白）彩色摄影多光谱扫描成像高光谱遥感 高光谱分辨率遥感（高光谱分辨率遥感（HyperspectralRemote Sensing） 用很窄（用很窄（10-2）而连续的光谱通道对地物持续遥感成像的技术。）而连续的光谱通道对地物持续遥感成像的技术。在可见光到短波红外波段其光谱分辨率高达纳米在可见光到短波红外

2、波段其光谱分辨率高达纳米(nm)数量级，通数量级，通常具有波段多的特点，光谱通道数多达数十甚至数百个以上，而常具有波段多的特点，光谱通道数多达数十甚至数百个以上，而且各光谱通道间往往是连续的，因此高光谱遥感又通常被称为成且各光谱通道间往往是连续的，因此高光谱遥感又通常被称为成像光谱（像光谱（Imaging Spectrometry）遥感。）遥感。从光谱影像上获得光谱曲线高光谱图像空间成像的同时，记录下成百个连续光谱通道数据从每个像元均可提取一条连续的光谱曲线对高光谱图像的处理实质是对像元光谱曲线的定量对高光谱图像的处理实质是对像元光谱曲线的定量化处理与分析化处理与分析高光谱成像技术 成像光谱仪

3、：成像光谱仪： 与地面光谱辐射计相比，成与地面光谱辐射计相比，成像光谱仪不是在像光谱仪不是在“点点”上的上的光谱测量，而是在连续空间光谱测量，而是在连续空间上进行光谱测量，因此它是上进行光谱测量，因此它是光谱成像的；光谱成像的； 与传统多光谱遥感相比，其与传统多光谱遥感相比，其光谱通道不是离散而是连续光谱通道不是离散而是连续的，因此从它的每个像元均的，因此从它的每个像元均能提取一条平滑而完整的光能提取一条平滑而完整的光谱曲线。谱曲线。成像光谱仪系统介绍 航空成像光谱仪系统航空成像光谱仪系统 国内系统：国内系统：MAIS、OMIS-1、OMIS-2、PHI、WHI、LASIS 国外系统：国外系统

4、：AIS、AVIRIS、TRWIS、GERIS、HYDICEAISA、DAIS、CASI、HYMAP AVIRIS Spectral coverage: VIS to NIR (400-2500nm) Spectral bands: 224 Spectral resolution: 10nm FOV: 30 IFOV: 1.0 mrad Digitization:12 bitsHYMAPSpectral coverage:VIS:400-800nm,15nm bands;NIR:881-1335nm, 14nm bands;SWIR1:1400-1813nm, 12nm bands; SWIR

5、2:1950-2543nm, 16nm bands;Spectral bands: 126FOV: 60IFOV: 2.5 mrad(along_track)2.0 mrad(across_track)Pixels per line: 512航天成像光谱仪系统Hyperion/EO-1 国家：美国国家：美国 时间：时间：2000年年11月卫星发射成功月卫星发射成功 扫描带宽：扫描带宽：7.5km, 空间分辨率：空间分辨率：30米，米， 在在0.42.5m共有共有220波段波段: 可见光近红外可见光近红外(400-1000nm): 60波段，波段， 短波红外短波红外(900-2500nm): 1

6、60波段。波段。环境与减灾小卫星星座（HJ-1B）2、高光谱数据预处理、高光谱数据预处理传感器定标传感器定标大气校正大气校正传感器定标 传感器定标是针对设备本身，建立传感器每个探测元件输传感器定标是针对设备本身，建立传感器每个探测元件输出的数据量化值（出的数据量化值（DN）与它所对应像元内的实际地物的）与它所对应像元内的实际地物的辐射亮度之间的定量关系（陈述彭等，辐射亮度之间的定量关系（陈述彭等，1998）。辐射亮）。辐射亮度（辐射率）单位可为：（度（辐射率）单位可为：（W）/（cm2*nm*sr）。）。 ENVI提供针对特定传感器的定标，包括提供针对特定传感器的定标，包括ASTER、AVHR

7、R、MODIS、MSS、TM、IKONOS、QuickBird、WorldView等；通用方法，包括：平场域定标、对数残差、等；通用方法，包括：平场域定标、对数残差、内部平均反射率法和经验线性；针对热红外数据，还提供内部平均反射率法和经验线性；针对热红外数据，还提供大气校正工具、相对通道发射率、归一化发射率、大气校正工具、相对通道发射率、归一化发射率、残差残差等定标工具。等定标工具。为什么做大气纠正？ 太阳辐射通过大气以某种方式入射到物体表面然后再反射太阳辐射通过大气以某种方式入射到物体表面然后再反射回传感器回传感器 原始影像包含物体表面，大气，以及太阳的信息原始影像包含物体表面，大气，以及太

8、阳的信息 如果我们想要了解某一物体表面的光谱属性，我们必须将如果我们想要了解某一物体表面的光谱属性，我们必须将它的反射信息从大气和太阳的信息中分离出来。它的反射信息从大气和太阳的信息中分离出来。大气散射直接反射邻接反射大气校正方法 基于辐射传输模型基于辐射传输模型 LOWTRAN模型模型 MORTRAN模型模型 ATCOR模型模型 6S模型模型 基于统计学模型基于统计学模型 平场域定标平场域定标 对数残差对数残差 内部平均反射率法内部平均反射率法 经验线性经验线性 基于简化辐射传输模型的黑暗像元法基于简化辐射传输模型的黑暗像元法 基于统计的不变目标法基于统计的不变目标法 基于植被指数的大气阻抗

9、植被指数法基于植被指数的大气阻抗植被指数法 ENVI大气校正模块 ENVI的大气校正模块的模型为的大气校正模块的模型为MODTRAN 4+模型，它是模型，它是由由Spectral Sciences, Inc. (SSI)和和Air Force Research Labs (AFRL)合作开发，合作开发，ITT VIS进行整合和图形化。进行整合和图形化。 ENVI的大气校正模块能够对高光谱、多光谱影像进行校的大气校正模块能够对高光谱、多光谱影像进行校正。正。 高光谱包括：高光谱包括：HyMAP、 AVIRIS、 HYDICE、HYPERION、Probe-1, CASI、AISA等；等； 多光谱

10、包括：多光谱包括：ASTER、AVHRR、IKONOS、IRS、Landsat、MODIS、SeaWiFS、SPOT、QuickBird等，以及航空（等，以及航空（860nm-1135nm）数据。）数据。 多光谱与高光谱的模型基础一样：多光谱与高光谱的模型基础一样：MODTRAN 4+。这个。这个模块通过高光谱像素光谱上的特征来估计大气的属性，可模块通过高光谱像素光谱上的特征来估计大气的属性，可以有效地去除水蒸气以有效地去除水蒸气, 气溶胶散射，漫反射的邻域效应。气溶胶散射，漫反射的邻域效应。采用向导式操作流程，还包括快速大气校正功能。采用向导式操作流程，还包括快速大气校正功能。使用ENVI大

11、气校正模块输入文件准备输入文件准备 数据是经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据数据是经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据 数据带有中心波长（数据带有中心波长（wavelenth）值，如果是高光谱还必）值，如果是高光谱还必须有波段宽度（须有波段宽度（FWHM）,这两个参数都可以通过编辑头这两个参数都可以通过编辑头文件信息输入（文件信息输入（Edit Header）。）。 数据类型数据类型 支持四种数据类型：浮点型（支持四种数据类型：浮点型（floating）、）、4-byte signed integers, 2-byte signed integers,以及以及 2-byte unsigned i

12、ntegers。 数据存储类型：数据存储类型： ENVI标准栅格格式文件，且是标准栅格格式文件，且是BIP或者或者BIL。 波谱范围：波谱范围：flaash能够做的数据光谱范围是能够做的数据光谱范围是0.42500m。使用ENVI大气校正模块基本参数设置基本参数设置 传感器基本信息设置传感器基本信息设置使用ENVI大气校正模块大气模型Model Atmosphere Water Vapor (std atm-cm) Water Vapor (g/cm2) Surface Air Temperature Sub-Arctic Winter (SAW) 5180.42-16 C or 3 F Mi

13、d-Latitude Winter (MLW) 10600.85-1 C or 30 F U.S. Standard (US) 17621.4215 C or 59 Sub-Arctic Summer (SAS) 25892.0814 C or 57 Mid-Latitude Summer (MLS) 36362.9221 C or 70 Tropical (T) 51194.1127 C or 80 Latitude (N) Jan. March May July Sept. Nov. 80SAWSAWSAWMLWMLWSAW70SAWSAWMLWMLWMLWSAW60MLWMLWMLWSA

14、SSASMLW50MLWMLWSASSASSASSAS40SASSASSASMLSMLSSAS30MLSMLSMLSTTMLS20TTTTTT10TTTTTT0TTTTTT-10TTTTTT-20TTTMLSMLST-30MLSMLSMLSMLSMLSMLS-40SASSASSASSASSASSAS-50SASSASSASMLWMLWSAS-60MLWMLWMLWMLWMLWMLW-70MLWMLWMLWMLWMLWMLW-80MLWMLWMLWSAWMLWMLW水气去除设置Water Retrieval 水气去除设置，采用两种方式对水气进行去除：水气去除设置，采用两种方式对水气进行去除： 利

15、用水气去除模型恢复影像中每个像元的水气量利用水气去除模型恢复影像中每个像元的水气量 使用水气去除模型，数据必须具有使用水气去除模型，数据必须具有15nm以上波谱分辨率，且至少覆以上波谱分辨率，且至少覆盖以下波谱范围之一：盖以下波谱范围之一： 1050-1210 nm (对应对应 1135 nm) 870-1020 nm (对应对应940 nm) 770-870 nm (对应对应820 nm) 单一的水气因数用于整体影像，默认是单一的水气因数用于整体影像，默认是1， 对于多光谱数据使用水气去除模型，可以在多光谱设置中手动设置水对于多光谱数据使用水气去除模型，可以在多光谱设置中手动设置水气波段气波

16、段气溶胶模型（Aerosol Model） 提供四种标准提供四种标准MODTRAN气溶胶模型气溶胶模型 Rural（乡村）、（乡村）、Urban（城市）、（城市）、Maritime（海洋）、（海洋）、Tropospheric（对流层，能见度在（对流层，能见度在40km以上）以上） 两种气溶胶去除方法两种气溶胶去除方法 2-Band（K-T）方法）方法(类似模糊减少法类似模糊减少法)，如果没有找到适应的黑，如果没有找到适应的黑值（一般是阴影区或者水体），系统将采用能见度值来计算；所值（一般是阴影区或者水体），系统将采用能见度值来计算；所以即使选择了该选项也要给能见度。以即使选择了该选项也要给能见

17、度。 选择选择None，采用能见度值参与气溶胶去除，能见度值大约参考值，采用能见度值参与气溶胶去除，能见度值大约参考值参见表参见表天气条件 能见度 晴朗 40 to 100 km 中等雾、阴霾 20 to 30 km 厚雾、阴霾15 km 或者更少 高级设置光谱定义文件：内置光谱定义文件：内置AVIRIS、HYMAP、HYDICE、HYPERION、CASI、AISA。气溶胶厚度系数：用于技术邻域效应范围。一般值为气溶胶厚度系数：用于技术邻域效应范围。一般值为12km。CO2混合比率：默认为混合比率：默认为390ppm。使用领域纠正。使用领域纠正。使用以前的使用以前的MODTRAN模型计算结果

18、。模型计算结果。设置设置MODTRAN模型的光谱分辨率（推荐值模型的光谱分辨率（推荐值5 cm-1)。设置设置MODTRAN多散射模型。多散射模型。提供三种模型供选择提供三种模型供选择Isaacs，DISORT和和 Scaled DISORT。默认是。默认是Scaled DISORT和和streams为为8，这种模型对于小于，这种模型对于小于1000nm具有较具有较高的精度；高的精度；天顶角天顶角方位角（针对非星下点传感器）。方位角（针对非星下点传感器）。输出反射率缩放系数（输出反射率缩放系数（Output Reflectance Scale Factor）：为了）：为了降低结果储存空间，默认

19、反射率乘于降低结果储存空间，默认反射率乘于10000。输出结果 表面反射率影像表面反射率影像 水气含量数据水气含量数据 云图云图 日志文件日志文件 FLAASH大气校正模板文件大气校正模板文件3、物质制图与识别、探测、物质制图与识别、探测波谱库波谱库波谱分析波谱分析端元波谱收集端元波谱收集高光谱制图与识别高光谱制图与识别 波谱库 ENVI波谱库波谱库 （安装目录下（安装目录下spec_lib） Jet Propulsion Laboratory 0.42.5um 160种纯矿物波谱种纯矿物波谱 美国地质调查局美国地质调查局(USGS) 0.42.5um 500种质优矿物波谱种质优矿物波谱 和几

20、个植被波谱和几个植被波谱 Johns hopkins university 0.414um 矿物波谱矿物波谱 IGCP264 (项目项目) 26个质优样品应用波谱仪测量得个质优样品应用波谱仪测量得到到 打开波谱库（打开波谱库（spectral/spectral libraries/view) 显示波谱曲线显示波谱曲线(点击）点击） 创建波谱库（创建波谱库（spectral/spectral libraries/builder) 波谱库的创建与浏览 输入波长范围输入波长范围 输入光谱输入光谱 从图像中获取从图像中获取 外部文件（二进制）导入外部文件（二进制）导入 ASD波谱仪波谱仪 波谱库交互波

21、谱库交互 波谱库查看、编辑和分析波谱库查看、编辑和分析 波谱分割波谱分割 波谱重采样波谱重采样波谱分析工具波谱分析工具 Spectral Analyst 波谱分析首先需要打开一个波谱库，然后将未知波谱与波谱分析首先需要打开一个波谱库，然后将未知波谱与波谱库中的波谱进行匹配处理，该工具运用波谱库中的波谱进行匹配处理，该工具运用波谱角分类波谱角分类,波谱特征拟和二进制编码技术波谱特征拟和二进制编码技术,对一未知波谱与波谱库中对一未知波谱与波谱库中要素的匹配进行排序要素的匹配进行排序,输出一个列表输出一个列表,按照波谱匹配的好坏按照波谱匹配的好坏依次排列依次排列,并纪录一个总体的得分并纪录一个总体的

22、得分. 匹配时需要设置三种方法所占的权重匹配时需要设置三种方法所占的权重,权重是任意的权重是任意的,最后最后输出一个总体得分输出一个总体得分,得分越高得分越高,表明匹配效果越好表明匹配效果越好.光谱识别流程MNF变换 重要作用重要作用 用于判定图像内在的维数用于判定图像内在的维数 分离数据中的噪声分离数据中的噪声 减少计算量减少计算量 弥补了主成分分析在高光谱数据处理中的不足弥补了主成分分析在高光谱数据处理中的不足 计算时需要输入的参数计算时需要输入的参数 统计信息的图像范围统计信息的图像范围shift diff subset 噪声统计文件（可以用到另一副图像上做变换）噪声统计文件（可以用到另

23、一副图像上做变换） MNF统计文件统计文件(反变换的时候要用反变换的时候要用) Mnf变换输出波段选择变换输出波段选择(根据特征值选择输出波段根据特征值选择输出波段) 利用利用MNF变换后的图像进行端元提取变换后的图像进行端元提取 经过经过MNF变换后的图像波段之间的相关性有效地降低了，并变换后的图像波段之间的相关性有效地降低了，并且出现了多个拐点，这些拐点就是我们要找的端元且出现了多个拐点，这些拐点就是我们要找的端元Endmembers。 波谱曲线对比编辑端元波谱曲线对比编辑端元 生成端元地物平均波谱曲线生成端元地物平均波谱曲线 利用波谱分析工具进行端元识别利用波谱分析工具进行端元识别 识别

24、每一类地物后识别每一类地物后,将端元导出成将端元导出成ROIPPI纯净像元指数 生成的结果是一副灰度的影像生成的结果是一副灰度的影像,DN值越大表明像元越纯值越大表明像元越纯. 作用及原理作用及原理 纯净像元指数法对图像中的像素点进行反复迭代，可以在多光谱纯净像元指数法对图像中的像素点进行反复迭代，可以在多光谱或者高光谱影像中寻找最或者高光谱影像中寻找最” 纯纯”的像元的像元.(通常基于通常基于MNF变换结果来变换结果来进行进行) 纯净像元指数可以将纯净像元指数可以将N维散点图迭代映射为一个随机单位向量来维散点图迭代映射为一个随机单位向量来计算计算,每次映射的极值像元被记录下来每次映射的极值像

25、元被记录下来,并且被标为极值的总数也被并且被标为极值的总数也被记录下来记录下来. 按照多次映射每个像元被记录为极值像元的次数来决定该像元是按照多次映射每个像元被记录为极值像元的次数来决定该像元是否为纯净像元否为纯净像元.计算时需要输入的参数计算时需要输入的参数 进行迭代的次数进行迭代的次数 设置域值的系数设置域值的系数(极值像元的域值极值像元的域值) 数据二次采样数据二次采样(减少内存减少内存,但不能太小但不能太小) 处理时会出现纯净像元指数图处理时会出现纯净像元指数图 X- 像元迭代次数像元迭代次数,Y-极值像元总数极值像元总数 该图显示了该图显示了PPI做为迭代次数的函数做为迭代次数的函数

26、 当所有极值像元都已经找到后当所有极值像元都已经找到后,它应该接近于一条水平它应该接近于一条水平线线 处理结果处理结果: DN值越大表明像元越纯值越大表明像元越纯. PPI纯净像元指数提取纯净像元指数提取ROI 设置波段域值提取设置波段域值提取PPI_ROI 通常只设最小值通常只设最小值 (值越大值越大,像元越纯净像元越纯净)N维可视化器 提取提取PPI_ROI后打开后打开N维可视化器维可视化器,选择选择MNF变换结果变换结果,系系统默认导入统默认导入PPI_ROI PPI_ROI端元提取端元提取 波谱曲线对比编辑波谱曲线对比编辑ROI 生成地物平均波谱生成地物平均波谱 波谱分析波谱分析,端元

27、识别端元识别端元波谱收集 端元波谱收集器端元波谱收集器 ASCII文件文件 ASD测量文件测量文件 波谱库波谱库 ROI/矢量文件矢量文件 统计文件统计文件 剖面波谱图剖面波谱图 N维可视化分析器维可视化分析器 二维散点图二维散点图 SMACC工具工具 所有监督分类与高光谱制图工具所有监督分类与高光谱制图工具高光谱制图 二进制编码二进制编码 波谱角分类波谱角分类 线性波段预测（线性波段预测（LS-Fit） 线性波谱分离线性波谱分离 光谱信息散度光谱信息散度 匹配滤波匹配滤波 混合调谐匹配滤波（混合调谐匹配滤波（MTMF） 包络线去除包络线去除 光谱特征拟合光谱特征拟合 多范围光谱特征拟合多范围

28、光谱特征拟合高光谱制图练习 从标准波谱库中获取端元波谱从标准波谱库中获取端元波谱 打开打开jpl_lib/jpl1.sli波谱库文件，获得以下物质的波谱波谱库文件，获得以下物质的波谱 ALUNITE SO-4A BUDDINGTONITE FELDS TS-11A CALCITE C-3D CHABAZITE TS-15A ILLITE PS-11A KAOLINITE WELL ORDERED PS-1A 选择选择Spectral Angle Mapper制图方法制图方法波谱沙漏工具目标识别 向导式波谱分析工具向导式波谱分析工具 影像亮度值定标为反射率影像亮度值定标为反射率 最小噪声分离（最

29、小噪声分离（MNF） 纯净像元指数（纯净像元指数（PPI） N维散度分析维散度分析 选择终端单元选择终端单元 地物制图（地物识别）地物制图（地物识别）Apparent ReflectanceMNFPPIn-DIDMap Distributionand Abundance作用：将地物波谱与端元波谱进行对比来地物制图（识别地物）SAM与BandMax结合进行目标探测 基于基于BandMax向导的向导的SAM目标探测引导你完成高光谱影目标探测引导你完成高光谱影像的目标探测。向导的像的目标探测。向导的BandMax部分能帮你找到最佳的部分能帮你找到最佳的波谱子集以区分背景和目标，并节省处理的时间。波谱

30、子集以区分背景和目标，并节省处理的时间。 向导主要有以下几个步骤：向导主要有以下几个步骤： 选择输入选择输入/输出文件输出文件 选择目标选择目标选择目标波谱选择目标波谱 选择背景选择背景选择需要抑制的背景信息选择需要抑制的背景信息 利用利用BandMax计算有效波段计算有效波段识别对识别对SAM分析中有效的波段分析中有效的波段 选择最大角阈值选择最大角阈值 定义定义SAM 最大角最大角 检验制图成果检验制图成果 SAM分析以及成果检验。分析以及成果检验。4、植被分析、植被分析植被指数计算器植被指数计算器植被分析植被分析植被指数计算器 提供了提供了6类类 27种植被指数的计算种植被指数的计算绿度Greenness光利用率Light Use Efficiency氮干旱或炭衰减Dry or Senescent CarbonStress Pigments冠层水分含量Canopy Water Content提供了生物物理学交叉检验提供了生物物理学交叉检